Protobuf 小试牛刀

本文以PHP为例。

环境：

• CentOS 6.8
• proto 3.8
• PHP 7.1.12
• PHP protobuf扩展 3.8.0
• go1.12.5 linux/amd64

本文示例仓库地址： https://github.com/52fhy/protobuf-sample

是什么

Protobuf是一种平台无关、语言无关、可扩展且轻便高效的序列化数据结构的协议，可以用于网络通信和数据存储。

官方文档：https://github.com/protocolbuffers/protobuf

作为数据交换协议，常见的还有JSON、XML。相比JSON，Protobuf有更高的转化效率。一般JSON用于HTTP接口，Protobuf用于RPC比较多。以gRPC为例，默认就是使用Protobuf。

我们可以使用Protobuf：

• 作为RPC的序列化数据结构的协议。类似于JSON
• 定义proto文件，一键生成多语言代码。

安装

安装清单一览：

• protoc
• protoc-gen-go 编译出golang目标代码
• protoc-gen-doc 文档生成工具支持
• 各编程语言对应的protobuf库

安装protoc

为了将proto文件转成编程语言代码，需要安装编译工具。

地址：https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases/

wget https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases/download/v3.8.0/protoc-3.8.0-linux-x86_64.zip
unzip protoc-3.8.0-linux-x86_64.zip
cp bin/protoc /usr/bin/
cp -r include/google /usr/include/

注：最后一行是为了将proto的一些库复制到系统，例如google/protobuf/any.proto，如果不复制，编译如果用了里面的库例如Any，会提示：protobuf google.protobuf.Any not found 。

mac版地址：
https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases/download/v3.8.0/protoc-3.8.0-osx-x86_64.zip

windows版地址：
https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases/download/v3.8.0/protoc-3.8.0-win64.zip

然后命令行输入 protoc可以查看帮助。

假设有一个 .proto格式的文件，需要编译成其它语言代码：

mkdir -p sdk/php
protoc --php_out=sdk/php  --java_out=sdk/java --js_out=sdk/js --objc_out=sdk/objc  *.proto

其中--php_out=sdk/php表示编译成PHP代码，放在sdk/php目录。protof支持的语言：

$ protoc | grep "=OUT_DIR"
  --cpp_out=OUT_DIR           Generate C++ header and source.
  --csharp_out=OUT_DIR        Generate C# source file.
  --java_out=OUT_DIR          Generate Java source file.
  --js_out=OUT_DIR            Generate JavaScript source.
  --objc_out=OUT_DIR          Generate Objective C header and source.
  --php_out=OUT_DIR           Generate PHP source file.
  --python_out=OUT_DIR        Generate Python source file.
  --ruby_out=OUT_DIR          Generate Ruby source file.

默认没有go代码支持，如果需要支持go的代码生成，则需要protoc-gen-go工具。

golang 代码编译支持
protoc --help 并没有--go_out参数说明， 如需编译golang目标代码，请执行以下步骤:

1、安装golang环境：yum install golang，其它系统查看 https://studygolang.com/dl (已安装请跳过)
2、go get github.com/golang/protobuf/protoc-gen-go；
3、复制扩展工具到/usr/bin:

cp `go env|grep 'GOPATH'|sed -e 's/GOPATH="//' -e 's/"//'`/bin/protoc-gen-go /usr/bin/

4、编译go目标代码: protoc --go_out=./go *.proto。

protoc-gen-doc文档生成工具支持

1、需要golang环境
2、go get -u github.com/pseudomuto/protoc-gen-doc/cmd/protoc-gen-doc；
3、复制扩展工具到/usr/bin:

cp `go env|grep 'GOPATH'|sed -e 's/GOPATH="//' -e 's/"//'`/bin/protoc-gen-doc /usr/bin/

4、编译proto生成HTML文档: --plugin=/usr/bin/protoc-gen-doc --doc_out=html,index.html:./doc。

一个完整的例子：

p=$(cd `dirname $0`;pwd)
namespace="Pb_$appname"

cd $p/proto/

rm -rf $p/sdk/php
mkdir $p/sdk/php

protoc 
  --plugin=/usr/bin/protoc-gen-doc --doc_out=html,index.html:$p/doc  
  --php_out=$p/sdk/php  
  --grpc_out=$p/sdk/php --plugin=protoc-gen-grpc=/usr/local/bin/grpc_php_plugin  
  --go_out=plugins=grpc:$p/$namespace/   
  --java_out=$p/sdk/java  
  --js_out=$p/sdk/js  
  --objc_out=$p/sdk/objc 
  *.proto

--grpc_out=$p/sdk/php --plugin=protoc-gen-grpc=/usr/local/bin/grpc_php_plugin这个用于生成grpc代码，如果没有可以去掉。

PHP扩展安装

php可以安装c扩展版本或者纯php代码版本。

C扩展版本

1、下载扩展源码：

wget https://pecl.php.net/get/protobuf-3.8.0.tgz
tar zxf protobuf-3.8.0.tgz
cd protobuf-3.8.0
phpize
./configure
make
sudo make install

或者直接使用 pecl 安装：

pecl install protobuf-3.8.0

2、 输入 php -i|grep php.ini 查看php.ini的路，修改php.ini, 增加:

extension=protobuf.so

3、检查是否安装成功：php --ri protobuf，安装成功会显示版本号。

纯PHP版本

使用 composer 安装即可：

composer require google/protobuf

下面说一下区别和注意事项：
1、截止到3.8.0版本，如果安装的是纯PHP版本，protobuf 里提供的序列化方法serializeToJsonString()不支持参数，c扩展版本支持，表示保留proto里定义的属性，不进行转大写；
2、c扩展版本无法使用var_dump等函数打印出protobuf对象里的对象的结构和内容，但是如果protobuf对象里的标量类型是可以打印出来的。

Go扩展库安装

golang如果使用protobuf，需要引入google.golang.org/grpc库。使用 go mod管理，可以编写规则做个映射：

replace google.golang.org/grpc => github.com/grpc/grpc-go v1.21.1

应用：protobuf创建Model

有时候我们需要根据数据库表结构生成一个Model，常规办法是手写，比较麻烦。有了protobuf，我们可以先编写一个proto 文件，然后编译成目标语言的代码。

定义proto

我们先定义一个 proto 文件：

// proto/User.proto
syntax = "proto3";
package Sample.Model; //namesapce

message User {
    int64 id = 1; //主键id
    string name = 2; //用户名
    string avatar = 3; //头像
    string address = 4; //地址
    string mobile = 5; //手机号
    map<string, string> ext = 6; //扩展信息
}

message UserList {
    repeated User list = 1; //用户列表
    int32 page = 2; //分页
    int32 limit = 3; //分页条数
}

以上分别创建了user和UserList两个Model。

编译proto

现在使用proto工具编译出来：

mkdir php
protoc --php_out=php proto/User.proto

会生成：

├── php
│   ├── GPBMetadata
│   │   └── User.php
│   └── Sample
│       └── Model
│           ├── UserList.php
│           └── User.php
├── proto
│   └── User.proto

UserList.php 代码部分示例：

测试编译生成的代码

接下来，我们写个例子看看如何使用生成的Model。在使用之前需要处理下GPBMetadata相关的命名空间问题，这里我们定义的命名空间是SampleModel，但是 GPBMetadata/User.php以及Sample/Model/User.php的命名空间我们希望调整下，都以SampleModel开头，而不是GPBMetadata。下面我们使用命令行处理：

cd protobuf-sample

#修改GPBMetadata命名空间
cd php
mv -f GPBMetadata Sample/Model/

find . -name '*.php' ! -name example.php -exec sed -i -e 's#GPBMetadata#Sample\Model\GPBMetadata#g' -e 's#\Sample\Model\GPBMetadata\Google#\GPBMetadata\Google#g' {} ;

cd -

接下来我们写个测试文件：
user.php

<?php

use SampleModelUser;
use SampleModelUserList;

ini_set("display_errors", true);
error_reporting(E_ALL);
require_once "autoload.php";
$user = new User();
$user->setId(1)->setName("test");
$userList = new UserList();
$userList->setPage(1)->setLimit(5)->setList([$user]);

print_r($userList);
var_dump($userList->getPage());
print_r($userList->getList());

foreach ($userList->getList() as $key => $obj) {
    print_r($obj);
    echo $obj->getId() .PHP_EOL;
}

autoload.php是实现自动加载的。

我们运行：

$ php tests/user.php 
SampleModelUserList Object
/work/git/protobuf-sample/tests/user.php:15:
int(1)
GoogleProtobufInternalRepeatedField Object
(
)
SampleModelUser Object
1
{"list":[{"id":1,"name":"test"}],"page":1,"limit":5}

可以看到使用var_dump、print_r等函数是打印不出来 protobuf生成的对象的，但是里面确实是有内容的，只有标量能打印出来，或者序列化为字符串。

我们也可以将一个字符串反序列化为protobuf对象：
user_merge.php

<?php 
use SampleModelUserList;

$json = '{"list":[{"id":1,"name":"test"}],"page":1,"limit":5}';

require_once "autoload.php";

$userList = new UserList();
$userList->mergeFromJsonString($json);
print_r($userList);
echo $userList->serializeToJsonString();

运行示例：

$ php tests/user_merge.php

SampleModelUserList Object
{"list":[{"id":1,"name":"test"}],"page":1,"limit":5}

proto语法

这里只将介绍简单的，如果需要细研究，请查看官方文档。

官方文档：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/overview

1、proto3
proto 有proto3 和 proto2。proto3 比 proto2 支持更多语言但 更简洁。去掉了一些复杂的语法和特性，更强调约定而弱化语法。如果是首次使用 Protobuf ，建议使用 proto3 。详见参考文献说明。

需要在proto头部申明：

syntax = "proto3";

如果你没有指定这个，编译器会使用proto2。

2、注释
使用 //，示例：

message UserList {
    repeated User list = 1; //用户列表
    int32 page = 2; //分页
    int32 limit = 3; //分页条数
}

其中写在每个属性后面的注释在生产的代码里面有保留。

3、message
message类似于结构体的概念，最终编译为代码在PHP、JAVA里就是一个类，在golang里是结构体。每一个属性都会生成对应的getXXX、setXXX方法。

4、字段规则
repeated表示这个属性重复N次，在相对应的编程语言中通常是一个空的list。PHP里对应数组。

reserved表示标识号保留暂时不用。

message Foo {
  reserved 2, 15, 9 to 11;
  reserved "foo", "bar";
}

在消息定义中，每个字段都有唯一的一个数字标识符。这些标识符是用来在消息的二进制格式中识别各个字段的，一旦开始使用就不能够再改变。注：[1,15]之内的标识号在编码的时候会占用一个字节。[16,2047]之内的标识号则占用2个字节。所以应该为那些频繁出现的消息元素保留 [1,15]之内的标识号。切记：要为将来有可能添加的、频繁出现的标识号预留一些标识号。最小的标识号可以从1开始，最大到2^29 - 1, or 536,870,911。

5、支持的数据类型

详情参看官方文档：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto3#scalar

6、默认值说明

• string类型，默认值是空字符串
• bytes类型，默认值是空bytes
• bool类型，默认值是false
• 数字类型，默认值是0
• 枚举类型，默认值是第一个枚举值，即0
• repeated修饰的属性，默认值是空.

7、枚举
使用enum关键字定义枚举，值必须从0开始：

enum Corpus {
    UNIVERSAL = 0;
    WEB = 1;
    IMAGES = 2;
    LOCAL = 3;
    NEWS = 4;
    PRODUCTS = 5;
    VIDEO = 6;
}

8、引用类型
上面的UserList就引用了User类型。大家可以看一下。

9、import
如果一个proto文件引用了另外一个proto文件，那么可以使用import关键字在头部申明：

import "User.proto";

10、Map类型
proto支持map属性类型的定义，语法如下：

map<key_type,value_type> map_field = N;

示例：

map<string, string> ext = 6; //扩展信息

这个map对于PHP来说就是关联数组，对于golang来说就是Map。

10、Any
Any类型允许包装任意的message类型，可以通过pack()和unpack()（方法名在不同的语言中可能不同）方法打包/解包：

import "google/protobuf/any.proto";

message Response {
    google.protobuf.Any data = 1;
}

PHP开发的同学可能觉得Any没必要，因为数组里任何类型都可以放，但是对于强类型语言，数组里的值类型必须是一致的，使用Any类型可以解决这个问题。Any相当于把值包装了一层，这样都是Any类型。

11、服务定义

service UserService {
    //  方法名  方法参数                 返回值
    rpc GetUser(Request) returns (Response); 
}

这相当于定义了一个类，里面有一个对外的GetUser()方法。这个通常用于定义RPC服务，与gRPC结合使用。

12、从.proto文件生成了什么？
当用protocol buffer编译器来运行.proto文件时，编译器将生成所选择语言的代码，这些代码可以操作在.proto文件中定义的消息类型，包括获取、设置字段值，将消息序列化到一个输出流中，以及从一个输入流中解析消息。

• PHP：每一个Message或者Enum生成一个类，另外还会生成GPBMetadata。
• C++：编译器会为每个.proto文件生成一个.h文件和一个.cc文件，.proto文件中的每一个消息有一个对应的类。
• Java：编译器为每一个消息类型生成了一个.java文件，以及一个特殊的Builder类（该类是用来创建消息类接口的）。
• Python：Python编译器为.proto文件中的每个消息类型生成一个含有静态描述符的模块，该模块与一个元类（metaclass）在运行时（runtime）被用来创建所需的Python数据访问类。
• go：编译器会位每个消息类型生成了一个.pd.go文件。
• Ruby：编译器会为每个消息类型生成了一个.rb文件。
• Objective-C：编译器会为每个消息类型生成了一个pbobjc.h文件和pbobjcm文件，.proto文件中的每一个消息有一个对应的类。
• C#：编译器会为每个消息类型生成了一个.cs文件，.proto文件中的每一个消息有一个对应的类。

其它

IDE插件

1、JetBrains PhpStorm 可以在插件里找到Protobuf安装，重启IDE后就支持proto格式语法了。

2、VScode 在扩展里搜索 Protobuf，安装即可。

3、protobuf的 php 扩展类在ide中没有提示，可将https://github.com/protocolbuffers/protobuf/tree/master/php/src 目录下载到本地，将此目录加到ide的include_path中即可。

常见问题

1、 protoc 编译输出php文件时遇到一个错误：protobuf google.protobuf.Any not found。
原因：安装proto的时候没有把include/google复制到/usr/include/。
解决：重新下载protoc-3.8.0-linux-x86_64.zip并将解压后的include/google复制到/usr/include/。

2、Mac下执行phpize报如下错误：

grep: /usr/include/php/main/php.h: No such file or directory
grep: /usr/include/php/Zend/zend_modules.h: No such file or directory
grep: /usr/include/php/Zend/zend_extensions.h: No such file or directory

解决方法：

xcode-select --instal

参考

1、protoc2 与 protoc3 区别 - 简书
https://www.jianshu.com/p/cdedcf696e9e
2、gRPC之proto语法 - 简书
https://www.jianshu.com/p/da7ed5914088
3、Protobuf3语法详解 - 望星辰大海 - 博客园
https://www.cnblogs.com/tohxyblog/p/8974763.html